翻译-使用柔性ipmc微夹持器的轴孔装配scara

使用柔性IPMC微夹持器的轴孔装配SCARA文章信息文章历史于2012年8月6日收到初稿于2012年11月21日收到修改稿于接受2012年12月10日采纳于2012年12月22日在网站发布关键词轴孔装配SCARAIPMC微夹持器柔性装配摘要因为总是有两个配合零件之间存在位置误差，所以采用机器人装配是困难的。顺应性被以两只基于微夹持器的离子聚合物金属复合材料（IPMC手指的形式加入选择顺应性装配机器手臂（SCARA）。该微夹持器被整合在一个SCARA机器人末端执行器的位置。轴孔相互作用解析建模和基于它需要通过IPMC校正横向和角误差的力是计算出的。比例微分（PD）控制器旨在促使IPMC在装配之前获得校正轴位置的期望的力。通过开发一个IPMC微夹持器来进行仿真和实验，并通过它来分析轴在孔中的各种装配情况。实验结果表明，通过IPMC添加的顺应性有助于轴孔装配。1简介在电子工业中装配是一个重要的过程,涉及到很多相关行业，其中一小部分如一个引脚,芯片,接头等都必须插入一个孔或套筒接合器中1,2。人类擅长组装但机器人今天仍然很难组装组件。当有两部分时,总会在特定位部分出现错误。这些错误来自机器人或其控制系统/集成传感器、制造误差等。因此,一些合规设备是需要适应这些机器人装配中的错误。为了克服这个问题,DECHEV等人、HUANG、FUKUDA等人和HAVLIK分别研究了不同类型的手腕或爪。这些设备大多是被动的组装,合规机制实现了微型机电系统结构,在机器人线束装配的电连接和柔顺装配远程中心等。为确保精确,这些设备因为不同类型的错误而不能主动控制。因此,在单个轴孔误差校正问题对于成功的装配仍然是一个挑战性的问题。主动柔性机构可以帮助控制系统来补偿失调，也可以在轴孔装配中提供的自我调整和错误修正。在这方面,一些研究人员已经研究了可以适用于机器人装配的主动装配和基于智能材料的柔性设备。RABENOROSOA等人7研究了铁路指导任务,安排微装配使用基于两个柔性手指微夹钳处理，而LUMIA和SHAHINPOOR810已经开发出一种离子聚合物金属复合结构IPMC微夹持器。IPMC材料用作柔顺的执行机构掌握和操作灵活的微粒/刚性对象。该微夹持器非常适合于工业操作，例如，建筑微系统的微机电元件及生物微操作任务，例如，细菌和细胞处理。JAIN等人1113为显微操作在不同的平台开发了基于柔顺微夹持器的IPMC,如起重机械手，搬运零件微型工厂测试床，及进行过IPMC分析和装配误差估计的性4杆装配机构。这些夹具的主要优势是,他们是驱动电压只有03VDC。其控制过程是很容易的，他们更适合用来控制装配过程中产生的误差。在本文中，我们提出一种新的基于使用选择顺应性装配机器手臂（SCARA）柔性装配IPMC。本文的主要内容是（A）为基于轴孔装配的SCARA设计一个柔顺IPMC微夹持器。（B）在装配过程中使用通过一个比例微分（PD）控制系统纠正轴错误的柔顺微夹持器来控制轴的位置和方向。本文的目标是设计一个使用IPMC的柔性轴孔装配机制，使轴的定位可以通过IPMC微夹持器主动控制。这个装配通过SCARA机器人来完成。在理想的条件下，当轴插入孔中，轴在装配时绕其定点转动和翻转。这个旋转和翻转产生横向误差和角误差。为了克服这些误差,基于IPMC柔性微夹持器被设计成使用两个IPMC的手指，一个伺服电机和一架。两个IPMC手指负责控制轴并通过电压校正横向位移。在夹持器中集成一个伺服电机，它负责在实验中测量轴的角误差。该微夹持器是安装在SCARA机器人端部执行器的位置。通过SCARA机器人将被微夹持器固定的轴插入孔，在校正装配之后与孔紧密配合。利用梁理论和伯努利欧拉方程推导IPMC微夹持器的数学模型，其中轴是由两个IPMC微夹持器固定。还要利用校正横向和角偏差的IPMC微夹持器建立一个在轴孔装配时估计误差的数学模型。施加到IPMC手指的电压被采用PD控制系统控制着。比例和微分是根据它们的需要调整。实验证明，柔性IPMC微夹持器能够补偿装配过程中的误差。同时还发现，与非柔性装配相比柔性装配有高的装配成功率。这些贡献都是新的，并被引用到新一代的装配微机器人中，使我们能在执行装配任务中主动控制机器人的IPMC手指。在过去，一些研究人员用不同的方法分析了轴孔装配的问题。ARAI14分析了不同类型的轴孔装配概念，例如方形轴与方孔、圆轴配圆孔等。通用的方法进行三维静态模型，研究了不同的问题。PAIETAL15专注于机器人手在指定空间位置执行任务的不确定性和柔性。为了执行轴孔装配，为机器人研究合适的柔性中心。LI16为轴孔问题设计了混合控制器。一种使用混合通信顺序进程语言混合控制程序HCSP。LIAO等人17已经使用拉格朗日方法开发出一种一般形式方程影响模型让工业机械手执行轴孔装配。获取和利用的研究系统参数如何影响的轴装配的冲击力和偏离角和倒角孔的SCARA机器人的碰撞方程。HASKIYA等人18都专注在一个不准确解决方案，像机器人定位和轴插入孔。为了解决这个问题，是用一小轴孔装配倒角的无源组件的方法。PAULI等人19着重于处理连续的视觉反馈感知动作周期的伺服过程的影像式传感器。本研究的主要目的是运用伺服机制确定相机的功能，例如摄像机的光轴，以及主动地改变视图，如为操作期间检查对象的形状。CHENG等人20对一种新的可有效地弥补多边形装入轴的方向和偏差的装配任务被动柔顺中心装置的发展做出了贡献。FEI等人21提出了多轴装配的三维几何及力/力矩分析。接触力被螺旋理论在三维空间中描绘出来。ZOHOOR等人22描述了自动化轴孔装配的动态分析。获得相对于孔的轴线方向的轴小广义不等式方程没有楔形的情况。还研究了在动态情况下的无干扰的广义不等式。OKUMURA等人23讨论了用于估计预测方法机器人装配系统装配误差的交配部分和三维空间中的基部的位置和方向，使用两个高速CCDS测量。所提出的方法的基本思想是利用一个SCARA机器人进行装配操作。WANG等人24研究了PD控制器对微装配系统获得更好的动态响应，模糊逻辑技术用于调谐的控制器增益。GAUTHIER等人25分析了液体表面张力对微操作力测量的影响下。提出了一种方法来计算力测量扰动，并作为操作过程中顶端垂直位移，尖端的半径，液体表面张力和接触角的变量。TAO等人26提出一种主动缩放控制方法，可以根据位置动态调整自由度，然后作用于微对象装配。该方法是基于人工势场法。对所提出的系统的稳定性和健壮性进行了研究。SARIOLA等人27讨论了混合微装配技术，它结合了微操作机器人和水液滴的自对准。一个微型机器人系统的实验测试装置的开发，对微装配要研究其中四个重要参数，如机器人的屈服，性能，精度和速度。最近，SU等人28对偏心轴孔高精度的装配提出一个新的无传感器控制策略。可见情况运转状态分析是把偏心轴孔高维结构空间分解成两个低维结构空间。PARK等人29专注于在空间轴孔装配中使用使用力/力矩传感器（FT）进行接触状态分析，并对高精度自动装配自动化机器人的主要问题进行了论述。YAQI等人30在MEMS软件中用IPMC设计出一种两指微夹持器。该装置在装配中主要用于抓取和操纵微小零件。与天所的模型，有限元模型的开发和机电行为的微夹持器模拟。利用TADOKORO的模型，有限元模型被开发并且微夹持器的机电运动被模拟。本文的结构安排如下第21节介绍了使用柔性IPMC微夹持器的轴孔装配SCARA的设计。在22节中，对装配过程中抓物体，论述了IPMC手指建模和误差估计模型；并在23节建立模型了。在装配过程中，PD控制系统是用来弥补失调。这些误差是通过IPMC电压独立控制，并且也对IPMC电压进行论述。仿真结果在第3节。第4节论述了为论证基于使用柔性IPMC微夹持器轴孔装配的SCARA的实验测试装置。在5节中，对结果进行了讨论，得出的结论是在6节。2基于柔性装配的IPMC模型及设计21基于轴孔装配SCARA柔性IPMC微夹持器的设计SCARA基本设计基于轴孔装配使用IPMC微夹持器如图1所示。SCARA机器人是一种4轴工业机器人具有四个自由度（自由度），四个环节三个转动关节和一个移动关节连接。基于IPMC柔性微夹持器集成在SCARA机器人的末端执行器的位置。图1使用IPMC微夹持器的基于轴孔装配的SCARA示意图图2SCARA轴孔装配IPMC微夹持器示意图这些一致微夹持器被设计成使用IPMC的手指，如图2所示的设计。这是由两个IPMC条、一个伺服电机和一个支架组成。一个离子带有一个自由度，能够通过施加小电压（03VDC在一个方向上弯曲。通过给予相反的电压使夹持操作可以达到在相反方向的第二离子带弯曲。因此，当轴被IPMC指抓住时，两个IPMC指可以通过施加电压独立地控制横向位移和角位移。这个分析结合了横向误差和角误差。通过IPMC微夹持器校正横向位移误差和角位移误差后，由SCARA机器人来完成装配。22柔性微夹持器IPMC指的数学模型为了增加SCARA机器人在装配中的柔性，微夹持器被制成两个IPMC条。这些特制的IPMC取自美国的环境机器人公司（ERI）。它有一层两面融合黄金电极（510M）的全氟离子交换聚合物膜（NAFION117）。作为制造过程的一部分，这是进一步的化学基础聚合物涂层与金属离子构成的金属基复合材料31，如图3所示。这些系统主要是基于离子迁移和再分配的大分子网络内的电场。这些聚合物可以在空气中或在水中操作。他们吸收空气中的水以保持湿润和增强的分子网络内的阳离子迁移率。建议工作条件，IPMC在正常室温空气中工作。在这种情况下，所施加的电压影响的阳离子在细胞膜中的分布，并迫使阳离子向阴极迁移。阳离子分布的这种变化产生两薄层，一层在阳极附近另一层在阴极边界附近。电压（电位差）使得离子在离子群带中转移，并驱动离子带。一个IPMC还具有灵活的行为，因它较小的弯曲刚度通过施加一个小的电压（03V）产生较大的挠度。在弯曲过程中，在IPMC顶端产生一个力。这个力在尖用于保持对象和装配过程中纠正错误。对每一个IPMC手指的建模，一条板保持悬臂结构，如图4所示。IPMC条板具有末端曲率与曲率半径和自由长度。端曲率是从顶部的一端到另一端悬臂结构底梁的最大位移。端曲率与悬臂梁的曲率半径的关系可写为1图3IPMC的致动机理示意图31为了用每一个IPMC手指施加的电压找到瞬时弯矩，采用悬臂梁理论。瞬时弯矩写为MI/IIEI/RI（2）其中，EI是YOUNG的IPMC弹性模量，II是IPMC的转动惯量。使用（1）和（2）中曲率半径的值我们得到MIEIIII通过电压试验每一个板条的人端曲率分别被找出。为了找出这个曲率，我们首先给IPMC（03V）的电压。这得运行五秒，IPMC偏转数据收集五次。五个实验的平均值绘制如图5（A所示。电压关闭后，IPMC不会重复相同偏转路径。它表现为滞后1毫米。使用此偏转特性，最终曲率使用方程（1）描述，如图5（B所示。它表现为线性关系，假定为IKIVI（4）KI是IPMC指的路径的常数，并取决于IPMC的材料表现。把（4）中端曲率的值代入（3）中，我们得到MIEIIIKIVI（5）为产生所需反作用力F,可以通过假设悬臂结构均匀长度（LI如下FMI/LI（6）用（5）中IPMC的力矩值取代（6），得到FEIIIKIVI/LI（7）对两个IPMC指的力方程可以加1和2后缀分别表示。第一个IPMC指方程可表示为F1EIIIKI1VI1/LI1（8）KI1是第一个IPMC指的路径常数，VI1是加给第一个IPMC指的电压，LI1是第一个IPMC指的长度。对第二个IPMC指方程表示为F2EIIIKI2VI2/LI2（9）KI2是第二个IPMC指的路径常数；VI2是加给其上的电压；LI2是其长度；EI是弹性模数；II是每个IPMC指的转动惯量。为找出每个IPMC值得偏转角,我们考虑在每只指自由端施加一力矩的悬臂梁。（图4（A）。弯矩和曲率小部分（DS）努利欧拉方程可表示为D/DSMI/EIII（10）通过分离变量并结合IPMC的长度，得到1100/MILI/EIII12其中表示弧度。23装配过程中的误差估计模型用两只IPMC指夹住轴，柔度可通过横向弹簧常数（KXI和恒定角弹簧（KI建立理想化模型；如图6所示。因为IPMC只有一个弯曲自由度，角弹簧常数被假定为零。因此，横向弹簧常数用于IPMC装配的主动控制。这有助于横向误差和角误差有源校正，而被动组件纠正这些错误在32中。装配误差的分析是在二维进行。一个圆形的点被表示为一个柔顺中心。图4IPMC指的悬臂结构（A偏转特性B端曲率特征图5IPMC指性能试验图6IPMC抓的等校模型示意图数学符号与单位如下IPMCIPMC的横向刚度系数N/MKXIIPMC的角刚度系数（N/M）KI从力作用位置到轴尖端的距离LGI初始侧向位移（M）I初始角误差（M）I装配误差（M）E孔槽的位置倒角I轴直径（M）D1轴半径（MR1孔直径（MD1孔半径（MR1两IPMC指反作用力（NF1，F2柔性支持力（N）FX作用于轴端的力矩（NMM轴与支撑倒角之间的接触摩擦力（N接触摩擦力法向分量N）I摩擦力的反作用力（N）F1I,F2I轴质量（KGWIPMC质量（KG阻尼系数N/BI1比例控制增益KP微分控制增益KD在装配过程中，横向位移（UI）包括初始侧向位置位移（I）和角误差（I），如图7（A）所示。在倒角位置接触后，新的横向位置位移（UO）和角误差位置（O如图7（B）所示。在柔性装配中支持力（FX）大约在轴力的作用端点产生力矩M，图8所示。这个支持力被柔性IPMC的两个反作用力（F1和F2）和接触摩擦力平衡。接触摩擦力在轴和孔的接触位置产生一个合成摩擦力，产生两个分力水平，接触摩擦力分量和垂直接触摩擦力1分量如图9所示。这就在柔性装配中通过平衡IPMC在轴接触点的反作用2力产生静态平衡。在轴装配（无接触）的初始条件中，就在相对于孔轴线的支撑点的初始横向位移I和初始角误差I而言具有横向位移（UI），如下UIILGII（13）（A）初始条件（无接触）（B）倒角交叉条件（接触后）图7轴孔装配中的误差图8使用柔性IPMC装配中力矩图图9接触IPMC时作用于轴的力自由体受力图在倒角的交叉点（图6（B），横向位移UOLGIOZI/TANII14是初始接触，O是角位移。用（13）和（14），我们可以把横向误差UIU0表示为EUIU0ZI/TANILGI0I（15）静平衡，柔性支持力（FX）被IPMC的侧向刚度系数（KX平衡，FXKXIUIU0KXIE（16）力作用位置的力矩（M可写为MKXILGIUIU0（17）为纠正这些错误，我们必须找到投诉支撑力（FX）的平衡力和力矩的合规中心。两个IPMC的力的位置（F1和F2）和接触摩擦力（和）如图9所示。当轴接触槽位置，接触摩12擦力分量为SINIICOSI181COSIISINI（192正常的表面摩擦力。为找摩擦力，轴被IPMC指在IPMC倾斜角度1和2（图9）出支撑着。从力的平衡方程，我们有F1SIN1F2SIN2W202W是轴轴的重量。通过平衡（19）和（20），我们得到的F1SIN1F2SIN2WCOSIISINIF1SIN1F2SIN2W/COSIISINI（21）将此值代入（18），我们得到F1SIN1F2SIN2WSINIICOSI/COSIISINI（22）1在静力平衡条件下，水平接触摩擦力分量（）平衡经轴产生的柔性支撑力（FX）。根据1轴反力可表示为FXE1（23）替代（22）中的，得到1FXF1SIN1F2SIN2WSINIICOSI/COSIISINI（24）再次，从（23）和（24）中的到一个误差项EFX/KXIEF1SIN1F2SIN2WSINIICOSI/KXICOSIISINI（25）图10表示IPMC作为一个弹簧质量阻尼系统为了确定致动IPMC的电压，系统建模为一个弹簧质量阻尼系统质量的IPMC（），侧向刚度系数（）和阻尼系数（B）如图10所示。柔性支撑力（FX）负责校正装配过程中由于在倒角位置IPMC的反作用力（F1和F2）产生的横向位移和角误差。这种柔性支撑力可以通过施加适当的IPMC电压来控制；控制电压通过PD控制器提供。运动方程可以写为26E表示包含IPMC反作用力的误差项。我们现在使用的PD控制律，根据比例控制增益（）和微分控制增益计算所需的力，如下FX27根据（26）等于（27）得到（0280其中，B,K从（28）式很明显，通过分别选择控制增益KP和KD，我们可以开发一个稳定的闭环系统。要实现一个稳定的系统，该系统应满足的临界阻尼状态33。这个IPMC的控制电压在短时间内纠正轴的偏差。因此，与其他系统相比较，在轴孔装配过程中PD控制系统更适合控制IPMC指。3模拟结果在本节中，我们讨论了轴孔装配的IPMC微夹持器的模拟结果。31PD控制器的增益的计算为找寻找控制增益（和）IPMC的横向刚度系数（KXI通过实验计算出来。给一个IPMC加最大电压（3V）。相应的偏转力数据通过引导实验收集得到。在试验过程中，IPMC指放于悬臂模式，用于测量力的负载电池被放在IPMC顶端下面；如图11所示。研究发现，力与变形几乎成线性关系。因此，IPMC的横向刚度系数等于0068N/M。找到IPMC刚度系数后，使用MATLAB软件计算控制器增益参数KP和KD。质量阻尼器系统的基本传递函数通过IPMC质量（KG）、阻尼系数（）00004201/1及刚度系数（KXI0068N/M。为获得临界阻尼系统，PD控制器调至KP28,KD01。系统的响应曲线如图12所示。它表明，临界阻尼状态下的响应时间（001秒）和稳定时间（004秒）。该控制器符合我们的目的。32评估微夹持器误差校正和力特性为评估IPMC微夹持器的性能，每个IPMC指被假定为固定的具有均匀长度的悬臂结构。通过使用两个手指组成一个微夹持器夹住轴。在轴被IPMC指抓持时，电压从0V逐步地加到3V。认为摩擦系数是（02）。考虑到这些情况，下面的输入参数在轴孔装配时写在MATLAB2008软件程序里。轴直径（D150MM孔直径（D165MM倒角（I）45塑料销钉和孔之间的接触摩擦系数（I）02装配时间（T3S第一个IPMC指倾角（1）1RAD第二IPMC指倾角11RADIPMC侧向弹簧刚度KXI0068N/M每一个IPMC指长度（和）40MM12每一个IPMC的杨氏模量EI140MPAL（A）尖端力响应测试设置（B）响应力实验数据图11IPMC力学性能分析实验图12PD控制系统下的IPMC系统响应图13IPMC微夹持器夹持特性每个IPMC的转动惯量66）10154112（宽3厚每个IPMC的宽B10MM每个IPMC的厚H02MM初始触电（1MM每个IPMC的电压（和）03V12每个IPMC的路径常数（和）5612轴重量（W）000012KG力的作用点到轴端位置的距离（）60MM比例控制增益（）28微分控制增益（）01使用这些参数，我们分析了以下轴孔装配特性（I）抓持特性在模拟过程中，IPMC微夹持器执行以下步骤首先，通过在每个手指所需位置施加不同的电压使IPMC抓住轴。其次，根据需要给每个IPMC施加不同的电压（03V）来纠正误差。它取决于位置的轴孔的位置。IPMC手指抓持特征如图13所示。可以看到，物体从右边（RHS移动到左边（LHS），孔朝左。所以，IPMC转向将轴向左移动。这纠正横向误差。最初，轴心在00075M处，纠正之后在X轴00050M处。（II）受力特点特征力随时间的曲线如图14所示。可以看到，IPMC在05S内产生尖端力。在3V时获得最大抓持力12MN。图14每个IPMC指力特性33装配误差评估通过IPMC指纠正横向位移后，轴到达孔倒角的位置。SCARA机器人把轴插入孔。在插入过程中，轴相对于X轴偏67（最大），轴倾向特点如图15所示。在校正之后在29S内轴的方向从最大位置67到达垂直位置。在此期间，轴相对于Y轴旋转，这也由IPMC电压控制。装配误差的估计，如图16所示。这个误差由横向误差和角误差组成，从图看出，当轴装入孔时，通过IPMC指把误差从4467MM减小到最低2831MM。实现装配误差减少3662。IPMC微夹持器允许在减小这种误差后由SCARA机器人来轴孔装配。图15在装配过程中，与槽接触后轴的倾角特性图16装配误差4实验测试设备一种使用柔性IPMC微夹持器轴孔装配的SCARA测试设备如图17所示。包括以下设备（A）柔性IPMC微夹持器（B）SCARA机器人（C）误差测量视觉系统每个设备的描述如下（A）柔性IPMC微夹持器基于微夹持器的柔性IPMC安装在SCARA机器人（型号MTABQUEST）末端执行器的位置，如图17（B）。每个IPMC指定制尺寸（40MM10MM02MM,定制ERI,USA）。这些都是单独由数字模拟转换器（DAC）卡（制造PCI1720U）通过接口与电脑和功率放大器提供13V电压激活。（图17（A）。由VISUALC编译一个程序，根据需要独立地给每个IPMC指施加13V电压，控制弯曲。在实验中，一个伺服电机型号HS85MG被安置在微夹持装置中来产生角误差；这个角误差也由IPMC手指校正。伺服电机由伺服控制器控制（型号ATMEGA1280V）。伺服控制器工作电压的要求直流5V，接线示意图如图18所示。（B）SCARA机器人通过柔性微夹持器校正横向和角误差后，由SCARA机器人完成装配（图17（B）。SCARA机器人每个动作重复精读和分辨率分别是03MM和01，它们也会在装配中引起误差。一个塑料轴和孔物件用来装配，孔的直径为65毫米，并有15毫米倒角。因此，横向位移可以在轴接触角位置时测量。为找到成功装配概率，在实验中采用不同尺寸轴（例如50MM，55MM及60MM）。（C）测量误差的显示系统视觉系统是用照相机1（制造LOGITECH，型号HDC910）。这台相机可以采取10像素的图像并与计算机连接用于测量装配的误差，如图17（C）。用于从图像编码中获得实验数据的图像处理算法是用VISUALC编译的。轴的横向位移由装在轴孔装配前面的相机2（制造LOGITECH，型号HDC910）完成。它也安装在微夹持器前面，并与计算机相连接。这种基于视觉的（反馈）的闭环控制有效地测量IPMC的误差。方格纸放在装配后面，所以轴的横向位移可以在操作过程中被显示出来，如图19。为摄像机标定的目标，每一帧都被捕获，并且直径的两端（65MM）分布209个像素。因此，一个像素等于约00311毫米；这个数据是用来找出不同的装配参数。这种视觉系统在这样的轴孔装配中提供反馈，可能是最可行的解决方案。使用视觉系统的主要优点是，它可以提供一个有效的IPMC的位置/方向反馈。它可以跟踪的高分辨率图像的精度，图像处理的速度是非常快的，它是非接触、无冲击和振动影响的系统。在过去，一些创造者已经使用一种视觉系统有效地控制IPMC机器人设3537。（A）IPMC测试设备（B）SCARA机器人设备（C）显示设备图17SCARA轴孔装配实验测试设备图18SCARA型轴孔装配测试装置示意图图19设备安装细节在试验过程中，下列步骤已经执行。第一步柔性IPMC微夹持器安装在SCARA机器人末端执行器的位置。第二步借助SCARA机器人软件，SCARA机器人设置在初始位置（600,0,230）；操作程序在SCARA机器人手册中38。第三步IPMC抓住轴，并由DAC和使用的计算机代码的IPMC控制电路操控。根据情况，通过DAC给每个通道IPMC微夹持器施加13V范围电压，使之从左（LHS）向右（RHS）横向移动，反之亦然。第四步视觉系统是用来估计误差。在视觉系统中，两个相机（1和2）被安装在不同位置，并与计算机连接。横向位移和装配误差可以根据这些相机得到。通过相机2根据装配之后轴心到孔心的距离得到横向位移。同样，装配误差也使用相机1根据轴中心与孔中心之间插入前后的距离找到。第五步在装配实验过程中，不同轴角对准误差是由伺服电机产生。这个误差是由IPMC微夹持器校正。第六步倒角位置纠正横向和角方向后，由SCARA机器人完成插入；装配就实现了。5结果与讨论51柔性微装配性能实验在实验过程中，通过不同的电压控制IPMC微夹持器横向和角对齐校正横向和角对齐。分别地给一手指2V电压另一指3V。连续的步骤如图20所示，这是通过摄像机1和2捕获的。为找横向误差，轴在相机2前从左（LHS）向右（RHS）移动，连续的步骤如图20（I）所示。作为测量目的，轴的轴线和方格纸上画的轴（在背面）初始条件时保持相同，所以纸上轴线的轴位置和孔轴线清晰可见。在第一步骤中，轴由IPMC抓着。在接下来的步骤中，当我们给IPMC施加电压时轴从先前的位置向孔中心轻微移动。之后，轴在第三步和第四步到达倒角位置。在第五个位置，轴转向孔位置中心，在第六步轴被SCARA机器人插入孔。为找到装配错误，轴在孔中的位置通过相机可以看到，如图20（II）所示。这里，把蓝色标记放在轴中心红色标记放在孔中心。在第一步，我们这么放置相机1，所以轴心和孔心清晰可见。在第二步，当我们给每个IPMC施加电压时，轴从左到右移动。之后，在第三四步轴接触倒角位置。在第五步，轴到达孔中心附近。轴心和孔心再一次几乎重合；在第六步，SCARA机器人完成插入动作。横向位移定义为相对于孔的中心位置的初始轴中心位置和校正后相对于孔中心位置的轴中心位置之间的距离。装配误差减少定义为轴中心位置相对于孔中心位置在装配前后的距离。装配误差减少百分比计算公式为（轴插入前相对于孔中心的位置轴插入后相对于孔中心的位置）/轴插入前相对于孔中心的位置100当轴由SCARA机器人IPMC微夹持器插入孔时，机器人的插入速度在装配中非常重要，因为轴接触孔倒角时IPMC指的力平衡倒角的反作用力并进行装配。方程式（20）必须满足正确装配。因此，装配在不同速度下完成如图21。从图中看到，812M/MIN是最佳装配速度。在实验中也能看到最合适度速度是8M/MIN，它满足方程（20）。在8M/MIN时最大装配误差从2265MM减少到03477MM。为了测试IPMC微夹持器对轴角对准的校正，预先由伺服电机制造一个角度对准误差。然后再转动轴之后由SCARA机器人和IPMC微夹持器执行装配操作。在实验中，伺服电机分别旋在（顺时针和逆时针）025、05、075、和10来制造初始失准角。实验数据的收集和绘制如图21所示。图22（A）和（C），当我们旋转微夹持器在025任一方向时横向位移校正，垂直装配执行。微夹持器逆时针方向旋转025时，装配误差最大减少达到4604。在试验过程中，当轴被插入孔时，轴的行为受柔顺中心的位置影响，如图23所示。柔性中心的位置与横向和角误差相关。在运动过程中，柔性中心大约在轴顶端。这表明在纯横向位移情况时第二种情况下，轴在接触到倒角位置后在一个方向变化并转动。这是装配误差中的组合效果；这是因为接触力对轴施加侧向力和力矩。两者都是由IPMC电压校正。为分析装配中不同尺寸轴情况，几个实验使用了不同轴尺寸（如50MM，55MM和60MM）与恒定孔直径（65）。为找出每一种情况下的结果的标准偏差，进行了五个实验，五个值的平均值在表1中给出了。可以看到垂直装配在轴径5MM或50MM时是可能的。装配标准偏差至少需要轴径50MM，因为轴和孔之间的间隙足够装配。在轴径为6MM时，由于IPMC的低刚度不能进行完美的垂直装配。（A）IPMC抓持轴时轴的初始位置（B）轴朝着孔中心的轻微位置（C）轴朝着孔中心的第三位置（D）轴朝着孔中心的第四位置（E）轴朝着孔中心的第五位置（F）最后轴的插入位置（I）使用相机2得到的IPMC微夹持器从初始位置到最终位置的横向位置（A）轴初始位置（B）轴向孔中心轻微移动（C）三、轴在接触角的插入位置（D）四、轴在接触角的插入位置（E）五、轴在孔中心附近的插入位置（F）轴插入孔的最终位置（II）使用相机1获得的从初始轴位置到装入位置的装配估计误差（A）横向位移（B）装配误差图21SCARA机器人不同的插入速度的装配（A）横向位移纠正（B）微夹持器顺时针方向旋转时的装配误差（A）横向位移纠正（B）微夹持器逆时针方向旋转时的装配误差图22微夹持器在不同角度旋转时的装配误差表1IPMC微夹持器柔性装配序号例减少误差（MM）标准偏差备注1直径为5MM，孔直径65MM0422600086装配完成2直径为55MM，孔直径65MM0439200186装配完成3直径为60MM，孔直径65MM056340228装配未完成52非柔性装配的性能实验为比较柔性与非柔性装配，我们有一个刚性刚性夹子（非柔性）装配实验。在非柔性装配中，钢轴由SCARA机器人末端夹着，如图24。装配操作，根据以下步骤进行一、SCARA机器人被初始化到启动位置。二、SCARA机器人手抓通电后，轴由其末端抓持。钢轴和布置孔放在适当的装配位置，这样轴就可以很容易的插入到倒角位置。在装配过程中，使用不同尺寸轴（如50MM、55MM和60MM）及恒定直径（65MM）倒角深度15MM的孔，如图25所示。三、在视觉系统中，只用相机1捕捉装配误差。装配误差由轴心位置相对于孔心位置在插入前后的不同计算。每个轴径记录五组实验数据。四、由SCARA机器人插入轴，进行不同的装配。误差平均减少和标准偏差随柔性装配相似情况比较并计算。这张表中，非柔性装配与柔性装配比较变化更多，标准偏差在每组中也很高。这是因为末端执行器不具有灵活性也没有误差的补偿能力。这两种情况下的成功装配操作的概率（柔性装配和非柔性装配）总结在表3中。从这表中，可以看到在轴径为50MM孔径65MM时更适合装配。柔性装配成功率（9999）比非柔性装配成功率（9979）高。这表明柔性装配能够补偿误差（横向和角）。它的实现是因为末端执行器是由具有主动柔性的IPMC带组成。因此，结果表明，IPMC条有助于柔性装配，通过控制各IPMC电压校正误差。IPMC微夹持器在装配中通过增量式PD控制器施加03V小范围电压控制装配误差方面起着重要作用。IPMC反作用力也能在装配过程中的小型零件操作中平衡失调。这些能力表现了实现轴孔装配的新型柔性机构在工业应用中的潜力。图24SCARA端部执行器非柔性装配图25不同尺寸钢轴表2SCARA端部执行器非柔性装配序号例减少误差（MM）标准偏差备注1轴径5MM孔径65MM0965400020完成装配2轴径55孔径65MM0835400078完成装配3轴径60径65MM08504200266未成装配表3柔性和非柔性装配概率总结正确装配概率（）序号轴径刚性（）柔性（）150MM99999979255MM99989921360MM999797336结论在本文中，讨论了一种在使用柔性IPMC微夹持器的机器人装配中校正装配误差的方法。主要贡献是在装配中引入基于IPMC微夹持器的视觉控制。在轴孔SCARA装配中，零件的横向位移和转角需要被夹持器校正。此校正由IPMC微夹持器完成，因为IPMC具有灵活性和柔性性。IPMC的刚度在尖端反力控制中起着重要作用。当零件配合到倒角位置时，IPMC的反力平衡接触摩擦力。IPMCS的刚度随着改变输入电压而变化。使用PD控制器建立了数学模型，通过增益调节控制IPMC手指以构建一个稳定的系统和实现垂直装配。实验结果证明，IPMC的表现是线性的，因此用一个线性模型来近似它。因为装配时间很短，它并不受IPMC固有问题的影响，如干燥、滞后和松弛。视觉系统迅速检测IPMC的位置/方向，然后进行校正（通过PD控制器）；与复杂的自适应控制器和学习控制器相比这是一个更简单的方法。从SCARA机器人的轴装配实结果看，视觉系统显示柔性MC微夹持器有助于误差校正和装配。通过比较柔性和非柔性装配结果发现柔性装配的概率更高。实验结果表明，IPMC微夹持器的误差补偿能力可以提高工业机器人轴孔装配的性能（如SCARA）。致谢第一作者感谢编辑、IR中央机械工程研究所（中央机械工程研究所）、DURGAPUR、WB、印度给予许可发表该章。对该工作财政支持的CSIR、NEWDELHI、印度在第十一届五年计划“模块化可新配置的微型制造系统MRMMS批准号NWP30”为原型开发。作者还要感谢ANUPANSANA、BISWANATHPANDA和ARUN先生对在IITKANPUR各种实验工作的帮助。参考1SJHU,JCAMELIO,MODELINGANDCONTROLOFCOMPLIANTASSEMBLYSYSTEMS,CIRPANNALSMANUFACTURINGTECHNOLOGY551200619222KXIE,LWELLS,JACAMELIO,BDYOUN,VARIATIONPROPAGATIONANALYSISONCOMPLIANTASSEMBLIESCONSIDERINGCONTACTINTERACTION,ASMEJOURNALOFMANUFACTURINGSCIENCEANDENGINEERING129120079349423NDECHEV,WLCLEGHORN,JKMILLS,MICROASSEMBLYOF3DMICROSTRUCTURESUSINGACOMPLIANT,PASSIVEMICROGRIPPER,JOURNALOFMICROELECTROMECHANICALSYSTEMS13220041761894JHUANG,TFUKUDA,TMATSUNO,MODELBASEDINTELLIGENTFAULTDETECTIONANDDIAGNOSISFORMATINGELECTRICCONNECTORSINROBOTICWIRINGHARNESSASSEMBLYSYSTEMS,IEEE/ASMETRANSACTIONSONMECHATRONICS131200886945JHUANG,PDI,TFUKUDA,TMATSUNO,ROBUSTMODELBASEDONLINEFAULTDETECTIONFORMATINGPROCESSOFELECTRICCONNECTORSINROBOTICWIRINGHARNESSASSEMBLYSYSTEMS,IEEETRANSACTIONSONCONTROLSYSTEMSTECHNOLOGY1852010120712156HAVLK,PASSIVECOMPLIANTMECHANISMSFORROBOTICMICRODEVICES,IN13THWORLDCONGRESSINMECHANISMANDMACHINESCIENCE,GUANAJUATO,MXICO,1925JUNE,2011,PP17,PAPERNOA12_2737KRABENOROSOA,CCLVY,PLUTZ,ACTIVEFORCECONTROLFORROBOTICMICROASSEMBLYAPPLICATIONTOGUIDINGTASKS,INIEEEINTERNATIONALCONFERENCEONROBOTICSANDAUTOMATION,ICRA10,ANCHORAGE,ALASKA,UNITEDSTATES,20108RLUMIA,MSHAHINPOOR,IPMCMICROGRIPPERRESEARCHANDDEVELOPMENT,JOURNALOFPHYSICS12720081159UDEOLE,RLUMIA,MSHAHINPOOR,MBERMUDEZ,DESIGNANDTESTOFIPMCARTIFICIALMUSCLEMICROGRIPPER,JOURNALOFMICRONANOMECHATRONICS4320089510210RLUMIA,AMICROROBOTICGRIPPERANDFORCESENSOR,INFORDLUMBANGOAL,QUANGVINHNGUYENEDS,PROCEEDINGSOFTHE20112NDINTERNATIONALCONGRESSONCOMPUTERAPPLICATIONSANDCOMPUTATIONALSCIENCE,INADVANCESININTELLIGENTANDSOFTCOMPUTING,VOL144,2012,PP1811RKJAIN,USPATKAR,SMAJUMDER,MICROGRIPPERFORMICROMANIPULATIONUSINGIONICPOLYMERMETALCOMPOSITE,JOURNALOFSCIENTIFICINDUSTRIALRESEARCH682009232812RKJAIN,SDATTA,SMAJUMDER,ADUTTA,TWOIPMCFINGERSBASEDMICROGRIPPERFORHANDLING,INTERNATIONALJOURNALOFADVANCEDROBOTICSYSTEMS8120111913RKJAIN,SMAJUMDER,ADUTTA,MICROASSEMBLYBYANIPMCBASEDFLEXIBLE4BARMECHANISM,SMARTMATERIALSANDSTRUCTURES2172012HTTP/DXDOIORG/101088/09641726/21/7/07500414TARAI,ANALYSISOFPARTINSERTIONWITHCOMPLICATEDSHAPES,ANNALSOFTHECIRP3811989172015DKPAI,MCLEU,UNCERTAINTYANDCOMPLIANCEOFROBOTMANIPULATORSWITHAPPLICATIONSTOTASKFEASIBILITY,THEINTERNATIONALJOURNALOFROBOTICSRESEARCH10199120021316YLI,HYBRIDCONTROLAPPROACHTOTHEPEGINHOLEPROBLEM,IEEEROBOTICSAUTOMATIONMAGAZINE1997526017HTLIAO,MCLEU,ANALYSISOFIMPACTINROBOTICPEGINHOLEASSEMBLY,JOURNALOFROBOTICA6199834735618WHASKIYA,KMAYCOCK,JKNIGHT,ROBOTICASSEMBLYCHAMFERLESSPEGHOLEASSEMBLY,JOURNALOFROBOTICA17199962163419JPAULI,ASCHMIDT,GSOMMER,SERVOINGMECHANISMSFORPEGINHOLEASSEMBLYOPERATIONS,INRKLETTE,SPELEG,GSOMMEREDS,ROBOTVISION2001,INLNCS,2001,PP15716620CCCHENG,GSCHEN,AMULTIPLERCCDEVICEFORPOLYGONALPEGINSERTION,JSMEINTERNATIONALJOURNAL,SERIESC451200221YFEI,XZHAO,ANASSEMBLYPROCESSMODELINGANDANALYSISFORROBOTICMULTIPLEPEGINHOLE,JOURNALOFINTELLIGENTANDROBOTICSYSTEMS36200317518922HZOHOOR,MSHAHINPOOR,DYNAMICANALYSISOFPEGINHOLEINSERTIONFORMANUFACTURINGAUTOMATION,JOURNALOFMANUFACTURINGSYSTEMS10220039910823SOKUMURA,NTAKE,NOKINO,ERRORPREVENTIONINROBOTICASSEMBLYTASKSBYAMACHINEVISIONANDSTATISTICALPATTERNRECOGNITIONMETHOD,INTERNATIONALJOURNALOFPRODUCTIONRESEARCH43720051397141024JWANG,XTAO,DHONG,HCHO,AFUZZYADAPTIVEPDCONTROLLERBASEDMICROASSEMBLYSYSTEM,PROCEEDINGSOFTHESPIE6374200663740RHTTP/DXDOIORG/101117/1268680425MGAUTHIER,MNOURINE,CAPILLARYFORCEDISTURBANCESONAPARTIALLYSUBMERGEDCYLINDRICALMICROMANIPULATOR,IEEETRANSACTIONSONROBOTICS233200760060426XTAO,FJSHARIFI,HCHO,ANACTIVEZOOMINGSTRATEGYFORVARIA